Olivia DARCHEVILLE – DEI/SECRE/LRE

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Effets du potentiel d’oxydo-réduction du sol sur la mobilité du sélénium

Journées des thèses IRSN, 19-21 septembre 2005

DARCHEVILLE Olivia - 1ère année de thèse

Directeur : Pierre RENAULT - Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)

Correspondant : Laureline FEVRIER - IRSN / DEI / SECRE / LRE

Ecole doctorale « Sciences et Agronomie » - Université d’Avignon et des pays de Vaucluse

Début de thèse : 15 Octobre 2004 Soutenance : fin 2007

Contrat de Formation par la Recherche (CFR)

Résumé : Le but de cette étude est de quantifier l’impact de l’état d’oxydo-réduction sur le comportement

géochimique du sélénium dans la zone non saturée du sol et d’identifier la nature des processus impliqués

(microbiologiques et/ou géochimiques). Les résultats obtenus contribueront à une meilleure appréciation des

activités microbiennes des sols influençant le devenir du sélénium et à l’amélioration des modèles couplant

transferts et réactivité biogéochimique. La première partie de cette étude a consisté en une caractérisation du

sol pris dans son état naturel et de sa réactivité vis à vis du sélénium.

1. Introduction

Cette thèse s’effectue au sein du Laboratoire de Radioécologie et d’Ecotoxicologie du DEI/SECRE

à Cadarache et s’inscrit dans le cadre d’un accord de collaboration avec EDF. Ce sujet s’inscrit dans

une thématique d’étude du « comportement bio-géochimique des radionucléides dans les

compartiments réservoirs (sols et sédiments) » largement développée au sein du SECRE/LRE

pendant ces dernières années. Ces études visent à mieux connaître les mécanismes qui contrôlent le

comportement des radionucléides dans la zone non saturée du sol (ZNS). En particulier, il s’agit

d’identifier les mécanismes et les paramètres pertinents à prendre en compte pour évaluer la

mobilité d’un radionucléide dans la ZNS. Parmi ces différents paramètres, le potentiel d’oxydo-

réduction apparaît comme un paramètre clé qui contrôle la spéciation de certains radionucléides [1],

mais qui reste cependant mal connu. Le sélénium (Se) a été choisi en raison de sa sensibilité

reconnue vis à vis du potentiel d’oxydo-réduction ainsi que de son intérêt en radioécologie. En

effet, parmi les isotopes radioactifs du sélénium, le 79Se (émetteur β), isotope à vie longue (1,13*106

ans), est produit en quantité importante au cours du cycle du combustible nucléaire. Sa présence

dans les déchets radioactifs Haute Activité Vie Longue (HALV) reste problématique car il est

considéré comme relativement mobile dans les sols et les sous-sols. De plus, le Se est également

présent dans la liste des éléments étudiés pour leur caractère toxique chimique. Le Se existe dans la

nature sous quatre états d'oxydation: séléniure Se(-II), sélénium élémentaire Se(0), sélénite Se(IV)

et séléniate Se(VI). Il peut également se trouver sous diverses formes inorganiques et organiques.

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La mobilité du Se dépend également, comme beaucoup d’éléments traces, de sa spéciation. Le

sélénite est très fortement retenu sur le sol, alors que le séléniate est faiblement retenu. La

distribution du sélénium dans le sol entre les phases liquide, solide et gazeuse est contrôlée,

principalement, par des phénomènes de sorption/désorption sur des phases minérales et

d’oxydation/réduction abiotiques et biotiques (incluant la volatilisation) [2]. Ces réactions

dépendent principalement de l’état géochimique du sol (nature des phases minérales, potentiel

d’oxydo-réduction) et de son activité microbienne [3].

Cette étude vise donc à quantifier l’impact de l’état d’oxydo-réduction du sol sur le comportement

géochimique du sélénium dans la zone non saturée du sol et à identifier la nature des processus

impliqués (microbiologiques ou géochimiques). Ce travail a débuté par une caractérisation du sol et

de sa réactivité vis à vis du sélénium.

2. Matériel et méthode

Le sol

L’échantillon de terre utilisé dans cette étude est issu d’un sol sableux provenant des bords du

Rhône, autours de la centrale EDF de Creys-Malville en cours de déconstruction. La terre est

tamisée à 2 mm et est stockée à 4°C pour minimiser son évolution pendant le temps de l'étude. Afin

de favoriser la remise en activité d'un point de vue microbiologique, une réhumidification à environ

14 % et une remise à température ambiante pendant 48 heures sont nécessaires avant toute

expérimentation.

Caractérisation du sol (Tableau 1)

Les caractérisations physico-chimiques et minéralogiques de l’échantillon de terre ont été réalisées

respectivement par le laboratoire d'analyses des sols de l'INRA d'Arras et le BRGM d’Orléans..

Tableau 1 - Caractéristiques physico-chimiques et minéralogiques de l’échantillon. Les valeurs entre parenthèses sont les teneurs moyennes des éléments traces dans les sols français [4].

Eléments totaux traces (ppm) Minéralogie / Fractions

pH CaCO3

(%)

CEC

Metson

(meq/100g) Cr Cu Ni Zn < 50 µm (14,06 %) 0,2 - 1 mm ( 72,72 %)

7,74 0,65 4,28 43,6

(52,5)

8,45

(15,0)

14,3

(24,5)

97,4

(68)

Quartz

Traces de feldspath et de phyllosilicates

Quartz

Oxy-hydroxyde de fer

Etudes en batch – Expériences préliminaires

L’évaluation de la mobilité du sélénium dans l’échantillon de terre étudié est abordée par différentes

expériences en conditions statiques, appelées batch.

• L’étude de la cinétique des réactions de sorption sol/sélénium permet d’évaluer le temps

nécessaire à l’obtention d’un pseudo-équilibre thermodynamique. Elle consiste en la mesure du

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coefficient de partage solide/liquide, Kd, pour 10 temps de contact (de 2h à 56j). 3 g de terre sèche

sont mis en suspension dans 15 mL des solutions de KCl à 8,5*10-3 mol/L contenant du sélénite

(10-5 mol/L et 10-6 mol/L) marquées avec du 75Se (1000 Bq/mL) dans des tubes à centrifugation en

polycarbonate. Des blancs (tube + solution) sont réalisés en parallèle de ces essais pour estimer la

quantité de Se pouvant se fixer sur les parois du tube. Les tubes sont agités à température ambiante

(20°C ± 2°C) à 400 tours.min-1. La séparation des phases solide et liquide se fait par centrifugation

pendant 25 min à 10 000 g, le surnageant est ensuite extrait pour analyse. 3 fractions sont ainsi

récupérées, une fraction non filtrée, une fraction filtrée à 0,45 µm et une fraction filtrée à 0,22 µm.

• A partir des culots de terre, une étude de désorption est réalisée. La terre est remise en suspension

dans une solution de KCl sans sélénite, le protocole et le temps de contact sont les mêmes que pour

l’étape de sorption.

• Une isotherme de sorption (courbe reliant la concentration de Se en solution à la concentration de

Se retenu sur le solide) est réalisée sur une gamme de 6 concentrations de sélénite variant de 10-8

mol/L à 10-3 mol/L. Les 6 solutions de sélénite sont marquées avec la même activité de 75Se

(environ 1000 Bq/mL). Le temps de contact sol/solution retenu est de 48 heures, afin d’obtenir un

jeu de données comparable avec la bibliographie. 3 réplicats sont réalisés pour chaque condition.

• Pour compléter cette isotherme, des extractions séquentielles sont réalisées à partir des culots de

3 concentrations de l’isotherme de sorption. L’objectif est de déterminer quelles sont les phases

solides du sol qui retiennent les fractions dominantes de Se. (Cf. protocole, Tableau 2).

Tableau 2 - Etapes des extractions séquentielles.

Etape Phase ciblée Extractant Analyse 75Se

1 Se échangeable avec Cl- 8,5*10-3 M de KCl

2 Se échangeable avec HPO42- 0,1 M K2HPO4

3 Se organique 0,1 M NaOH

4 Se élémentaire 0,25 M Na2SO3

5 Se-organique réfractaire 5 % NaOCl

Scintillation liquide

6 Se résiduel Spectroscopie γ

Démarche méthodologique proposée pour l’étude

Nous proposons la réalisation d’une série d’expériences comparatives d’étude en batch de la

mobilité du Se dans différentes conditions d’oxydo-réduction. Les expérimentations seront

effectuées avec des lots de terre stérilisée par rayonnement γ ou non, afin de pouvoir différencier les

processus d’origine biotique des processus d’origine abiotique. Les microorganismes, de par leurs

différentes activités dans les sols (consommation, production de métabolites), modifient les

propriétés physico-chimiques du milieu et notamment le potentiel d’oxydo-réduction (EH). Pour

pouvoir créer des systèmes avec des EH contrastés, les expériences seront réalisées sur des lots de

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terre brute et des lots amendés avec des solutions nutritives. Les solutions d’amendement

contiendront un mélange d’accepteurs d’électrons spécifiques (NO3-, SO4

2-) et de donneurs

d’électrons (glucose, cellulose) pour favoriser des activités microbiennes ciblées (dénitrification,

sulfato-réduction, …). Afin de comprendre l’influence d’activités microbiennes spécifiques sur

l’état géochimique du sol et donc sur la mobilité du sélénium, nous séparerons les expériences en

aérobiose et en anaérobiose. En effet, les conditions aérobies (présence d’oxygène dans le milieu) et

anaérobies (absence d’oxygène dans le milieu) impliqueront différentes communautés microbiennes

et donc différents mécanismes.

Enfin, pour identifier les processus impliqués dans la mobilité du Se, il faudra pouvoir (i)

déterminer la distribution et la spéciation du Se dans le sol, (ii) accéder aux activités microbiennes

(par exemple, en anaérobiose, la production de glucides, d’acides organiques ou de H2 résulte de

différentes voies cataboliques : fermentation, sulfato-réduction, acétogènèse…) et (iii) caractériser

l’état géochimique du sol (Tableau 3).

Tableau 3 – Analyses réalisées pour l’étude comparative de la mobilité du Se selon les conditions d’oxydo-réduction.

Spéciation du sélénium Activités microbiennes Etat géochimique du sol Phase liquide • Se total (SL)

• Se (IV) (HG-QFAAS) • Glucides, lipides, protéines • Acides organiques

• EH • Oxygène dissous • Cations, Anions • Carbone Organique

Dissous Phase solide • Se total (SG)

• Partition solide du Se (SL) • Dénombrement microflore

totale (fumigation -extraction) • Quantification fongique

(ergostérol) • Dénombrement bactérien

(Acridine orange) • Structure des communautés

bactériennes (ARISA)

• Etat solide du Fer (Spectroscopie Mössbauer)

Phase gazeuse Se volatil (charbon actif + SG) Gaz : CH4, O2, N2, H2, CO2, N2O

HG-QFAAS: Hydride Generation – Quartz Furnace Atomic Absorption Spectrometry SL: scintillation liquide SG: spectrométrie gamma ARISA: Automated Ribosomal Intergenic Spacer Analyses

3. Premiers résultats et discussion

L’étude cinétique (Graphe 1)

La quantité de sélénite initialement en solution (10-5 M) retenu dans la phase solide augmente au

cours du temps : tout d’abord rapidement avec 67 % du Se déjà retenu après 2h (temps de contact

minimum), puis plus lentement jusqu'à un palier où un équilibre thermodynamique semble être

atteint au bout de 21 jours avec 88 ± 2 % du Se retenu (4,40*10-8 mol de Se /g sol sec). Le Kd varie

entre 10 et 48 L/kg en suivant la même tendance.

La désorption du Se

La quantité de sélénium désorbée est faible et décroît dans le temps. Les processus de sorption du

Se ne sont donc pas totalement réversibles pour une fraction de Se et on observe une rétention du Se

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assez forte. Compte tenu de l’allure des courbes, on peut faire l’hypothèse d’un mécanisme de

sorption en deux étapes. Tout d’abord, (i) une sorption rapide (quelques heures), qui pourrait

correspondre à un processus de complexation de type sphère externe [5]. Le Se serait faiblement

retenu et pourrait se désorber plus facilement (dans ce cas, pourcentage de désorption plus

important aux temps courts). (ii) Puis un mécanisme plus lent (quelques jours), qui pourrait

conduire à une complexation de type sphère interne [5]. Le Se serait alors plus fortement retenu par

les constituants du sol, ce qui limiterait les pourcentages désorbables de Se. D’autres phénomènes

ne sont pas à exclure pour expliquer ce type de comportement tels que d’autres types de liaisons

physico-chimiques (complexation, échange de ligands …) ou de la précipitation de surface.

L’isotherme de sorption du Se à 48h (Graphe 2)

L’isotherme de sorption est non linéaire sur l’ensemble de la gamme étudiée. Une fonction de type

Langmuir a pu être ajustée sur les données expérimentales. Les paramètres de cette fonction

fournissent une estimation de la valeur d’adsorption maximale en Se, Cmax égale à 4,57*10-4 mol/kg

de sol sec, et une constante d’équilibre de sorption, K, égale à 4,61*104 L/mol. Toutefois, aux

faibles concentrations (10-8-10-5 mol/L), l’isotherme peut être considérée comme linéaire, ce qui

permet de déterminer un coefficient de partage solide/liquide, Kd, égal à 17± 3 L/kg.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60Temps (jours)

%

0

10

20

30

40

50

60

70

Kd

(L/k

g)

Adsorption Désorption Kd moyen

0,E+00

1,E-04

2,E-04

3,E-04

4,E-04

5,E-04

6,E-04

7,E-04

0,E+00 2,E-04 4,E-04 6,E-04 8,E-04 1,E-03

C (mol/L)

S (

mo

l/kg

de

so

l se

c)

isotherme exp. Langmuir

Les extractions séquentielles (Graphe 3).

Les premiers résultats obtenus sur un échantillon de terre non stérile montrent qu’après 48h, le Se se

trouve principalement dans la fraction échangeable avec HPO42- et celle extraite à NaOH (Se lié à la

Matière Organique (MO)). La distribution relative entre ces fractions semble être dépendante de la

concentration en Se ; ceci pourrait correspondre à la saturation d’un certain type de sites. On peut

Graphe 1 – Pourcentage de sélénium sorbé et désorbé en fonction du temps. [Se] = 10-5 mol.L-1.

Graphe 2 – Isotherme de sorption du Se pour un temps de contact de 48H ajustée par une fonction

de type Langmuir:CK

CKCS

*1

**max +

=

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également remarquer la présence de Se élémentaire (environ 2 %), qui pourrait signifier qu’il y a eu

une réaction de réduction du sélénite. De telles réactions de réduction peuvent être d’origine

biotique ou abiotique. Il convient donc de reproduire l’expérience en condition stérile pour pouvoir

conforter l’une ou l’autre des hypothèses.

0

10

20

30

40

50

60

70

Echangeable

(Cl-)

Echangeable

(HPO42-)

Se lié à la

MO

Se

élementaire

Se-organique

réfractaire

% d

ésor

bé1,00E-04 1,00E-06

1,00E-08

Graphe 3 - Répartition du sélénium dans la fraction solide pour 10-8 M<[Se]<10-4 M. (protocole Tableau 2)

4. Conclusion

Malgré des caractéristiques physico-chimiques simples (terre sableuse, peu de matière organique),

le sol présente une réactivité vis à vis du sélénium non négligeable. Les premiers résultats obtenus

ne permettent pas encore de préciser le rôle exact des microorganismes dans les mécanismes de

rétention du Se. Les futures expériences effectuées sur lots de terre stérile et lots amendés devraient

y remédier. La suite de cette étude porte sur la corrélation du fonctionnement géochimique et

microbiologique du sol avec la distribution et la spéciation du sélénium. On suppose que dans des

conditions anaérobies, une diminution du potentiel d’oxydo-réduction et une activité importante des

microorganismes peuvent créer un changement dans les fractions dominantes de sélénium retenu

dans la phase solide, plus particulièrement de la fraction dominante Se échangeable (HPO42-) vers la

fraction Se élémentaire. L’amplitude de ces transformations doit être gouvernée par les cinétiques

de sorption et de réduction, qui devront, si elles existent, être déterminées.

5. Bibliographie

1. Twining, J.R., et al., Seasonal changes of redox potential and microbial activity in two agricultural soils of tropical Australia: Some implications for soil-to-plant transfer of radionuclides. Journal of Environmental Radioactivity, 2004. 76(1-2): p. 265-272.

2. Alemi, M.H., et al., Elution of selenium from contaminated evaporation pond sediments. Journal of Environmental Quality, 1988. 17(4): p. 613-618.

3. Dassonville, F. and P. Renault, Interactions between microbial processes and geochemical transformations under anaerobic conditions: A review. Agronomie, 2002. 22(1): p. 51-68.

4. Bourrelier, P. and J. Berthelin, Contamination des sols par les éléments en traces : les risques et leur gestion. rapport n° 42. 1998: Académies des sciences.

5. Peak, D. and D.L. Sparks, Mechanisms of selenate adsorption on iron oxides and hydroxides. Environmental Science and Technology, 2002. 36(7): p. 1460-1466.